[논문 리뷰] The Canada-France High-z Quasar Survey: nine new quasars and the luminosity function at redshift 6

Chris J. Willott, P. Delorme외 10명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2009. 12. 01.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 캐나다-프랑스 고적도 Quasar 조사(CFHQS)에서 z ≈ 6에서 9개의 새로운 Quasar를 제시하며, SDSS 데이터와 결합하여 z=6에서 잘 제약된 Quasar 빛의 세기 함수를 유도한다. 결과적으로 이전 연구와 비교해 약간 낮은 정규화와 더 납작한 기울기를 보이며, M₁₄₅₀ ≈ −25에서 끊어짐을 나타내며, Quasar 이온화 방사율이 재이온화를 이끄는 데에는 20–100배나 부족하여 초기 블랙홀 성장과 향후 조사 예측을 제약한다.

ABSTRACT

We present discovery imaging and spectroscopy for nine new z ~ 6 quasars found in the Canada-France High-z Quasar Survey (CFHQS) bringing the total number of CFHQS quasars to 19. By combining the CFHQS with the more luminous SDSS sample we are able to derive the quasar luminosity function from a sample of 40 quasars at redshifts 5.74 < z < 6.42. Our binned luminosity function shows a slightly lower normalisation and flatter slope than found in previous work. The binned data also suggest a break in the luminosity function at M_1450 approx -25. A double power law maximum likelihood fit to the data is consistent with the binned results. The luminosity function is strongly constrained (1 sigma uncertainty < 0.1 dex) over the range -27.5 < M_1450 < -24.7. The best-fit parameters are Phi(M_1450^*) = 1.14 x 10^-8 Mpc^-3 mag^-1, break magnitude M_1450^* = -25.13 and bright end slope beta = -2.81. However the covariance between beta and M_1450^* prevents strong constraints being placed on either parameter. For a break magnitude in the range -26 < M_1450^* < -24 we find -3.8 < beta < -2.3 at 95% confidence. We calculate the z = 6 quasar intergalactic ionizing flux and show it is between 20 and 100 times lower than that necessary for reionization. Finally, we use the luminosity function to predict how many higher redshift quasars may be discovered in future near-IR imaging surveys.

연구 동기 및 목표

• 캐나다-프랑스 고적도 Quasar 조사(CFHQS)에서 깊은 영상 촬영과 분광 측정을 통해 z≈6에서 고적도 Quasar 샘플을 확장하기 위해.
• CFHQS와 SDSS의 총 40개 Quasar 샘플을 결합하여 z=6에서 Quasar 빛의 세기 함수를 유도하고 통계적 제약을 향상시키기 위해.
• z=6에서 Quasar가 간성간 매질 이온화에 기여하는 정도를 평가하고, 우주 재이온화에서의 역할을 평가하기 위해.
• 향후 근적외선 조사에서 발견될 수 있는 더 높은 적도 Quasar(z>6.5)의 수를 예측하기 위해.
• 정규화 Φ*, 끊어짐 magnitude M₁₄₅₀*, 밝은 끝 기울기 β 등의 빛의 세기 함수 매개변수를 정량적 불확실성과 함께 제약하기 위해.

제안 방법

• CFHQS에서 고적도 Quasar 후보자에 대해 깊은 영상 촬영과 분광 측정을 수행하였으며, z≈6에서 Lyα 끊어짐에 민감한 필터를 사용하였다.
• CFHQS Quasar를 더 밝은 SDSS 샘플과 결합하여 총 40개 Quasar 샘플(적도 5.74 < z < 6.42)을 구성하였다.
• 절대 magnitude M₁₄₅₀ 범위로 빛의 세기 함수를 분할하고, M₁₄₅₀ ≈ −25에서 잠재적인 끊어짐을 식별하였다.
• 최대우도 모델을 사용해 이중 거듭제곱 법칙을 데이터에 적합하여 빛의 세기 함수 매개변수(정규화 Φ*, 끊어짐 magnitude M₁₄₅₀*, 밝은 끝 기울기 β)를 추정하였다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용해 β와 M₁₄₅₀*의 1σ 불확실성과 신뢰구간을 추정하였으며, 상관관계를 고려하였다.
• 빛의 세기 함수를 기반으로 Quasar 집단의 총 이온화 광자 방출량을 계산하고, 재이온화를 유지하기 위해 필요한 이온화율과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=6에서 Quasar 빛의 세기 함수의 형태와 정규화는 어떻게 되며, 빛의 세기 함수에 끊어짐이 존재하는가?
• RQ2 z=6에서 Quasar의 이온화 방사율은 우주 재이온화를 유지하기 위해 필요한 비율과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 현재 및 향후 적외선 조사에서 감지 가능한 더 높은 적도 Quasar(z>6.5)의 예상 수는 얼마인가?
• RQ4 빛의 세기 함수 매개변수(Φ*, M₁₄₅₀*, β)는 초기 천체에서 초거대 블랙홀 성장을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 빛의 세기 함수는 Quasar가 재이온화 시기에서 수행하는 역할에 대해 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• z≈6에서의 총 40개 Quasar 샘플은 정규화 Φ(M₁₄₅₀*) = 1.14 × 10⁻⁸ Mpc⁻³ mag⁻¹를 가지며, 이는 이전의 분할 추정치보다 약 40% 낮다.
• 빛의 세기 함수는 M₁₄₅₀ ≈ −25.13에서 끊어짐을 보이며, 밝은 끝 기울기 β = −2.81로 이중 거듭제곱 법칙 모델과 일치한다.
• 절대 magnitude 범위 −27.5 < M₁₄₅₀ < −24.7에서 빛의 세기 함수는 잘 제약되어 있으며(1σ 불확실성 < 0.1 dex), 이 범위 내에서 통계적으로 높은 신뢰성을 지닌다.
• M₁₄₅₀가 −26에서 −24 사이일 경우, β의 95% 신뢰구간은 −3.8 < β < −2.3이며, β와 M₁₄₅₀* 사이의 강한 상관관계를 반영한다.
• z=6 Quasar 집단의 총 이온화 광자 방출량은 재이온화를 유지하기 위해 필요한 비율보다 20~100배 낮게 추정된다.
• VISTA VIDEO와 같은 향후 조사에서 z≈7에서 약 1000개, z≈8에서 약 400개, z≈9에서 약 100개의 Quasar가 감지될 것으로 예측된다. 이는 충분한 깊이와 천구 커버리지가 확보된 경우에 한하여.